hearing

MECHANICS OF THE HEARING SYSTEM

Main issues

Starting with an initial colaboration on the design of a middle ear audioprostheses, several works has been performed focused on the mechanics of the hearing system. The following reserach line has been developed:

- Numerical and experimental studies on sound transmission problems.

- Finite Element Modelling of the human hearing system.

- Design of a middle ear audioprostheses.

- Finite Element Modelling of the gerbil hearing system.

This research line is currently supported with project P10-TEP6604 by Junta de Andalucia (Spain).

Numerical and experimental studies on sound transmission problems

These works were initiated during my research stay at Fowler Memorial Lab Columbia University (New York). The understanding of the sound transmision mechanisms based on the sudy of simple problems is the main goal of this working line. Currently it is centered on the study of sound transmision thruogh thin membranes. A comined numerical and expeimental methodology is applied.

El primer trabajo realizado se ha centrado en la transmisión del sonido a través de una membrana acoplada a un tubo. Experimentalmente se han medido las presiones a distancias muy cercanas a la membrana por medio de un microsensor de presión, así como la velocidad por medio de interferometría laser. El problema ha sido modelado con elementos finitos y ajustado con los resultados experimentales (Gonzalez-Herrera, 2013).

También en esta línea se integra un trabajo inicial en colaboración con el Eaton-Peabody Laboratory (Massachusetts Eye and Ear Infirmary, Universidad de Harvard y M.I.T, Boston), con el grupo de investigación del Profesor J. Rosowski en el que se han utilizado técnicas de holografía para el estudio de la transmisión de sonido a través de una membrana.

Finite Element Modelling of the human hearing system

Se han desarrollado diversos modelos por elementos finitos que incluyen tanto el oído externo (canal auditivo), el oído medio (sistema tímpano-osicular) como modelos simplificados del oído interno (cóclea).

Los primeros trabajos se centraron en el sistema de trasmisión mecánico, desde el tímpano a la ventana oval (Caminos, 2008, 2009, 2012). Con ellos se evaluó principalmente la influencia sobre los resultados de diversas incertidumbres asociadas a la estimación de los parámetros de modelado. Principalmente la estimación de las propiedades mecánicas de los diversos materiales.

Se ha desarrollado un modelo reducido para el estudio paramétrico de diversos aspectos del comportamiento del oído (Bascuñana, 2012). Los principales elementos de la cadena osicular han sido modelados con un número limitado de elementos. Con ello se han podido realizar un gran número de cálculos variando los diversos parámetros.

Posteriormente se ha incluido el canal auditivo sobre el que se realizaron diversos trabajos para evaluar su influencia (Caminos, 2011).

Recientemente se ha completado el modelo, incorporándole la cavidad del oído medio, estudiándose el papel que juega en la transmisión del sonido, especialmente a altas frecuencias (Garcia-Gonzalez, 2012, 2013).

Design of a middle ear audioprostheses

Fue el primer trabajo realizado en esta linea de investigación en colaboración con el grupo de investigación Ototech del Profesor Rafael Urquiza. Consistió en el apoyo al diseño mecánico de una audioprótesis para ser implantada directamente en la cóclea.

Se han hecho trabajos de modelado por elementos finitos tanto sobre del dispositivo MEMS (Urquiza, 2009, Garcia-Gonzalez, 2009, Lopez-García, 2011) así como el estudio de su acoplamiento en la cóclea (Garcia-Gonzalez, 2012).

Finite Element Modelling of the gerbil hearing system

Actualmente en fase inicial. Se pretende disponer de un modelo numérico que describa el comportamiento del sistema auditivo del gerbo. Se trata de un animal con un sistema auditivo similar al humano muy empleado en investigación experimental.

Disponer de un modelo contrastado experimentalmente permitirá abordar el estudio de aspectos que son difíciles de evaluar en el oído humano debido a las limitaciones en la experimentación.

Esta línea se ha iniciado en colaboración con el Profesor L.F. Caminos de la UNET, San Cristobal (Venezuela). Se cuenta con el apoyo del grupo de investigación de la Universidad de Amberes (J.Dirckx y W. Decraemer) que ha facilitado la geometría. Igualmente se espera poder contrastar estos datos con los resultados experimentales obtenidos en la Universidad de Columbia por el grupo de la profesora Elizabeth Olson.

RELATED WORKS

PhD Tesis:

Análisis numerico de la influencia de la cavidad timpanica en el sistema auditivo humano (2013) (in Spanish)

Author: Antonio Luis Garcia Gonzalez. Supervisor: Antonio Gonzalez Herrera

Estudio de la influencia de parámetros en el modelado numérico del comportamiento del oído medio y externo humano (2011) (in Spanish)

Author: Luis Caminos Gamez. Supervisor: Antonio Gonzalez Herrera

Degree Thesis:

Modelo numérico parametrizado del oido medio humano (2011), Ingeniería Industrial (in Spanish)

Author: Jose Bascuñana. Supervisor: Antonio Gonzalez Herrera

PUBLICATIONS

• Gonzalez-Herrera, A., Cheng, J.T., Ravicz, M.E., Rosowski, J.J., Aplicación de técnicas de holografía para el estudio del comportamiento mecano-acústico de una membrana. Actas XX Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica, Málaga, 2014
• Gonzalez-Herrera, A., Wattamwar, K., Bergevin, C., Olson, E.S., Estudio numérico-experimental del acoplamiento mecano-acústico del canal acústico y la membrana. Actas XX Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica, Málaga, 2014
• Garcia-Gonzalez, A., Gonzalez-Herrera, A., Effect of the middle ear cavity on the response of the human auditory system. Proceedings of Meetings on Acoustics, Vol. 19, 030099, J. Acoust. Soc. Am. 133 , 3544, 2013
• Gonzalez-Herrera, A., Wattamwar, K., Bergevin, C., Olson, E.S., Sound transmission in a simple model of the ear canal and tympanic membrane. Proceedings of Meetings on Acoustics, Vol. 19, 030092, J. Acoust. Soc. Am. 133, 3542, 2013
• Garcia-Gonzalez, A., Caminos Gamez, L., Gonzalez-Herrera, A., Computational approach and numerical modelling in mechanics of hearing research. In Translational Research on Otorhinolaryngology, 8th International Academic Conference In Otology Rhinology And Laryngology, Malaga, 2012
• Gonzalez-Herrera, A., Garcia-Gonzalez, A., Caminos Gamez, L., Modelado numérico del comportamiento del sistema auditivo humano. II Reunión del Capítulo Español de la Sociedad Europea de Biomecánica (ESB), Sevilla, 2012
• Garcia-Gonzalez, A., Caminos, L., Gonzalez-Herrera, A., Urquiza, R., Numerical Simulation of the acoustic response of a hydrodynamic model of the labyrinth spaces. ESB2012: 18th Congress of the European Society of Biomechanics, Journal of Biomechanics, 45, S184, 2012
• Caminos, L., Garcia-Gonzalez, A., Gonzalez-Herrera, A., Influence of the eardrum stiffness on the middle ear sound function transfer. ESB2012: 18th Congress of the European Society of Biomechanics, Journal of Biomechanics, 45, S182, 2012
• Bascuñana Pareja, J., Garcia-Gonzalez, A., Camas Peña, D., Caminos Gámez, L., González-Herrera, A., Análisis de la influencia de las propiedades mecánicas en el modelado del oído medio humano. Actas XIX Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica, Castellón, 2012
• Garcia-Gonzalez, A., Caminos, L., Gonzalez-Herrera, A., Estudio numérico de la distribución de presiones en el canal auditivo. Actas XIX Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica, Castellón, 2012
• Caminos, L., Garcia-Gonzalez, A., Gonzalez-Herrera, A., Numerical Analysis of the Influence of the Auditory External Canal Geometry on the Human Hearing Response. In Progress in Auditory Biomechanics, Proceedings of the 11th International Mechanics of Hearing Workshop, AIP Conf. Proc. 1403, 515-520, 2011
• Lopez-Garcia, J., Daza, A., Campanella, H., Gonzalez-Herrera, A., Urquiza, R., Piezo-actuator MEMS to substitute tympanic-ossicular system. Electronics Letters, 47 (13), 739-740, 2011
• Garcia-Gonzalez, A., Gonzalez-Herrera, A., Camino, L., Urquiza, R., Comportamiento dinámico de una audioprótesis coclear acoplada a unmodelo tridimensional de cóclea. Actas XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica. Ciudad Real, 2010
• Urquiza, R., Lopez, J., Gonzalez-Herrera, A., Povedano, V., Ciges, M., Tympanic-ossicular prostheses and MEMS technology. Whats and whys. Acta Oto-Laryngologica, 129, 411-415, 2009
• Caminos, L., Urquiza, R., Gonzalez-Herrera, A., Numerical analysis of the dynamic behaviour of the ossicular human eardrum system. 16th International Congress on Sound and Vibration, Krakow, Poland, 2009
• Garcia-Gonzalez, A., Pascual-Cosp, J., Gonzalez-Herrera, A., Lopez-Garcia, J., Urquiza, R., Design of a middle ear audioprostheses: analysis of the mechanical behaviour. 16th International Congress on Sound and Vibration, Krakow, Poland, 2009
• Caminos Gámez, L., García-González, A., Urquiza de la Rosa, R., Gonzalez-Herrera A., Análisis del comportamiento dinámico del sistema tímpano osicular humano. Revista de Acústica, V. 40, nº 3-4, 74, 2009
• Garcia-Gonzalez, A., Gonzalez-Herrera, A., Lopez-Garcia, J., Urquiza, R., Estudio de la respuesta dinámica de una audioprótesis coclear,40º congreso nacional de acústica. Revista de Acústica, V. 40, nº 3-4, 93, 2009
• Caminos, L.F., Roa, O., González, A., Modelado y simulación del comportamiento dinámico del sistema tímpano osicular humano. IX Congreso Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería y Ciencias Aplicadas. Isla Margarita (Venezuela), BI 19-24, 2008
• López-García, J., Camas Peña, D., González-Herrera, A., Urquiza, R., Análisis del comportamiento mecánico óptimo de dos configuraciones de audioprótesis cocleares. Actas del XVII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica. Gijón, 1015-1021, 2008

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